孫 峰，李紅波，張 金

（中煤華晉集團(tuán)有限公司 王家?guī)X礦，山西 河津 043301）

目前，中國(guó)的一次能源消費(fèi)中,燃煤的使用率達(dá)到了56%[1]，在中國(guó)燃料消費(fèi)中仍將一直處于主導(dǎo)地位。鑒于開(kāi)采深度的加大和因此而發(fā)生的煤礦自然災(zāi)害的頻率增加，在保持高效生產(chǎn)的同時(shí)保障安全生產(chǎn)成為當(dāng)下亟需解決的問(wèn)題[2-5]。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦山生產(chǎn)過(guò)程中的必不可少的一個(gè)組成部分,在礦井安全生產(chǎn)中有著重要作用，因通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障所導(dǎo)致的煤塵及瓦斯爆炸嚴(yán)重制約著煤礦安全生產(chǎn)的發(fā)展[6]。隨著現(xiàn)代工業(yè)智能化、自動(dòng)化地不斷普及，近年來(lái)煤炭行業(yè)投入了大量資金以對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)和采煤設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)改造，作為煤礦安全的根本保證，通風(fēng)系統(tǒng)的智能化現(xiàn)代化是智能礦井發(fā)展的重要組成部分[7-10]。

隨著變頻技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能控制技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、工業(yè)通信技術(shù)、5G 通信技術(shù)的日益普及，使得將整個(gè)礦井的巷道、主要通風(fēng)機(jī)、各工作面的局部通風(fēng)機(jī)、風(fēng)門(mén)、瓦斯、溫度、粉塵等各種因素納入全礦井通風(fēng)的數(shù)學(xué)模型成為可能。進(jìn)而建立起整個(gè)礦井通風(fēng)的數(shù)學(xué)模型，采用智能技術(shù)解決方案來(lái)集中調(diào)控和管理，達(dá)到按需通風(fēng)、節(jié)能環(huán)保的要求。

王家?guī)X煤礦瓦斯絕對(duì)涌出量為12.05 m3/min，其中，掘進(jìn)工作面瓦斯絕對(duì)涌出量0.34 m3/min，回采工作面瓦斯絕對(duì)涌出量5.09 m3/min。屬于高瓦斯礦井，存在瓦斯和煤塵爆炸危險(xiǎn)性。

基于此，以王家?guī)X礦12307 掘進(jìn)面為例，結(jié)合礦井基本通風(fēng)情況及防爆抑爆需求，在12307 智能掘進(jìn)工作面設(shè)置了1 套智能局部通風(fēng)控制系統(tǒng), 通過(guò)根據(jù)瓦斯含量、環(huán)境溫度等技術(shù)參數(shù)自主調(diào)整局部通風(fēng)機(jī)速度,并進(jìn)行風(fēng)速的自主調(diào)整。套智能局部通風(fēng)控制系統(tǒng)極大程度上提升了王家?guī)X煤礦的生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化管理水平。

1 智能變頻通風(fēng)管控系統(tǒng)

王家?guī)X煤礦智能變頻通風(fēng)管控系統(tǒng)由地面監(jiān)測(cè)和控制部分、網(wǎng)絡(luò)傳輸部分、環(huán)境監(jiān)測(cè)部分、數(shù)據(jù)采集部分、變頻控制部分和局部通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)共同組成。

1.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.1 System design

通風(fēng)機(jī)控制室監(jiān)控上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與井下數(shù)據(jù)采集控制箱通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，控制箱通過(guò)總線(xiàn)與風(fēng)機(jī)電源開(kāi)關(guān)內(nèi)的綜合保護(hù)器通訊，讀取風(fēng)機(jī)運(yùn)行的電壓、電流、功率和故障保護(hù)類(lèi)型等參數(shù)，同時(shí)采集局部通風(fēng)主機(jī)、從機(jī)的遠(yuǎn)程/就地狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、合閘、分閘、復(fù)位等各種狀態(tài)以及風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口和風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)10 m 范圍內(nèi)的瓦斯數(shù)據(jù)，并通過(guò)PLC程序判斷，實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制功能。礦用本安型觸摸屏通過(guò)MPI 與PLC 控制箱通訊，實(shí)現(xiàn)就地局部通風(fēng)機(jī)信息顯示和控制功能。

1）系統(tǒng)能夠按照預(yù)定目標(biāo)，完成主局部通風(fēng)機(jī)和備用局部通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)切換。當(dāng)主局部通風(fēng)機(jī)因斷電或其他故障而無(wú)法正常運(yùn)行時(shí)，備用局部通風(fēng)機(jī)立即啟動(dòng)，提供備用通風(fēng)，保障工作面供風(fēng)和避免瓦斯超限。

2）可以通過(guò)地面控制室的計(jì)算機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)井下局部通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行和倒機(jī)試驗(yàn)，只需按下測(cè)試切換按鈕即可進(jìn)行自動(dòng)切換測(cè)試。

3）對(duì)局部通風(fēng)機(jī)的溫度、電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)其超出安全范圍時(shí)，及時(shí)警報(bào)。

4）每臺(tái)局部通風(fēng)機(jī)PLC 控制柜都配備了千兆網(wǎng)線(xiàn)接口，使其能夠直接接入進(jìn)行工業(yè)環(huán)網(wǎng)。

5）瓦斯體積分?jǐn)?shù)的數(shù)值及警報(bào)信號(hào)能直觀地從井下瓦斯監(jiān)測(cè)分站和地面監(jiān)測(cè)站中顯示和讀取。

6）安裝在地面監(jiān)測(cè)站的系統(tǒng)，用于記錄本地通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并對(duì)測(cè)試切換歷史進(jìn)行記錄，其中包括風(fēng)機(jī)切換的日期和切換過(guò)程的耗時(shí)、遠(yuǎn)程或自動(dòng)本地切換、供電和設(shè)備故障的日期和時(shí)間等，以保證工作記錄留存。

1.2 智能變頻調(diào)節(jié)

1.2.1 智能變頻調(diào)節(jié)的特點(diǎn)

軸流風(fēng)機(jī)電動(dòng)葉片調(diào)節(jié)的主要優(yōu)點(diǎn)是在大范圍內(nèi)修改流量時(shí)，效率變化不大，因此在調(diào)節(jié)流量時(shí)的經(jīng)濟(jì)性很高。另外，還可以從2 個(gè)方向改變流量，從額定流量到更低或更高的流量，從而獲得更大的調(diào)節(jié)范圍。它以比例法則為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)的速度來(lái)改變其性能曲線(xiàn)，從而發(fā)揮作用。風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)曲線(xiàn)圖如圖2。

圖2 變速調(diào)節(jié)曲線(xiàn)圖Fig.2 Variable speed adjustment curves

圖2 中：n 為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；H 為風(fēng)壓；Q 為流量；P 為功率；η 為效率。由圖2 可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)的工作速度增加時(shí)，流量和壓力上升；而當(dāng)風(fēng)機(jī)的工作速度減少時(shí)，流量和壓力下降。管道的變速調(diào)節(jié)的特性保持不變，不存在附加的調(diào)節(jié)阻力。這是風(fēng)機(jī)是最合適的調(diào)節(jié)方式，因?yàn)樗谔峁┰黾诱{(diào)節(jié)阻力的同時(shí)，也提供了良好的調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性。

1.2.2 智能變頻調(diào)節(jié)的功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)采集到的瓦斯、溫度、風(fēng)速、CO、粉塵等（選配）信號(hào)來(lái)設(shè)定控制模式。設(shè)有3 個(gè)工作模式，分別是“自控模式”下的通風(fēng)和排瓦斯模式、以及“手控頻率給定模式”。

1）自控通風(fēng)模式運(yùn)行狀態(tài)下，調(diào)速裝置在工作面迎頭、回風(fēng)區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于設(shè)定值。一旦瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過(guò)預(yù)設(shè)值，則切換至以巷道風(fēng)量、溫度、CO 含量、粉塵含量來(lái)綜合控制風(fēng)機(jī)調(diào)速，此時(shí)巷道風(fēng)量、溫度、CO 含量、粉塵含量任何1 個(gè)測(cè)點(diǎn)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，調(diào)速裝置將自動(dòng)提高轉(zhuǎn)速，增大供風(fēng)量（上限頻率），直到超標(biāo)信號(hào)恢復(fù)至設(shè)定安全數(shù)值以下后，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降至正常水平（下限頻率）。在此過(guò)程中瓦斯體積分?jǐn)?shù)需一直在安全值下，任何時(shí)候超標(biāo)則快速切換至自控排瓦斯模式。風(fēng)速、CO、粉塵、溫度傳感器位置及數(shù)量根據(jù)實(shí)際井下工況合理布置。

2）正常狀態(tài)下，調(diào)速裝置的工作模式為自控通風(fēng)。當(dāng)工作面迎頭實(shí)時(shí)瓦斯體積分?jǐn)?shù)≥工作面迎頭設(shè)定值或回風(fēng)區(qū)實(shí)時(shí)瓦斯體積分?jǐn)?shù)≥回風(fēng)區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)設(shè)定值時(shí)，工作模式自動(dòng)調(diào)整至自控排瓦斯。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨工作面迎頭瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化而改變，呈正相關(guān)趨勢(shì)，通過(guò)風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到避免瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限的目的。當(dāng)工作面迎頭瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過(guò)1.5%，調(diào)速裝置停止制動(dòng)，且在工作面迎頭瓦斯體積分?jǐn)?shù)未下降至設(shè)定值時(shí)不會(huì)自動(dòng)重新啟動(dòng)；當(dāng)工作面迎頭瓦斯體積分?jǐn)?shù)及回風(fēng)區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)皆小于其設(shè)定值時(shí)，調(diào)速裝置自動(dòng)重新啟動(dòng)，并在10 min 內(nèi)轉(zhuǎn)入自控風(fēng)模式。自控通風(fēng)排瓦斯流程圖如圖3。

圖3 自控通風(fēng)排瓦斯流程圖Fig.3 Flow chart of self-controlled ventilation and gas discharge

3）調(diào)速裝置在手動(dòng)頻率調(diào)整模式下運(yùn)行時(shí)，其輸出頻率與預(yù)設(shè)頻率匹配，誤差不超過(guò)0.5 Hz。工作面迎頭和回風(fēng)區(qū)瓦斯傳感器不會(huì)對(duì)調(diào)速裝置的輸出頻率產(chǎn)生影響。

1.2.3 智能變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能效果

變頻器的節(jié)能效果從以下4 個(gè)方面實(shí)現(xiàn)。

1）軟啟動(dòng)。在大多數(shù)情況下，交流電機(jī)的啟動(dòng)電流是電機(jī)額定電流的6～7 倍。而經(jīng)過(guò)軟啟動(dòng)器的變頻和調(diào)速，電機(jī)的啟動(dòng)電流不會(huì)超過(guò)電機(jī)的額定電流。

2）減少設(shè)計(jì)冗余。為保障設(shè)備在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)者必須一般都不得不考慮到設(shè)計(jì)冗余，但使用過(guò)程中大都是正常運(yùn)行，這就造成了一定程度的冗雜，而變頻調(diào)速則可以把這部分冗余節(jié)省下來(lái)。

3）調(diào)速節(jié)電。根據(jù)流體力學(xué)理論，軸功率與速度的立方有關(guān)，隨著速度的降低，軸功率也按比例降低，這是變頻調(diào)速的主要節(jié)電原理。

4）系統(tǒng)功率因數(shù)高。通常超過(guò)0.95，導(dǎo)致無(wú)功功率消耗減少，變壓器的負(fù)荷較輕。

變頻調(diào)節(jié)特性曲線(xiàn)圖如圖4。

圖4 變頻調(diào)節(jié)特性曲線(xiàn)圖Fig.4 Variable frequency regulation characteristics

圖4 中：H 為風(fēng)壓；曲線(xiàn)①、曲線(xiàn)③分別為風(fēng)機(jī)在不同阻力下運(yùn)行時(shí)的特性曲線(xiàn)；曲線(xiàn)②、曲線(xiàn)④分別為不同頻率下的流量和壓力關(guān)系的曲線(xiàn)。風(fēng)機(jī)工作在A 點(diǎn)時(shí),軸功率P1等于Q1與H1的乘積，即與圖中AQ1OH1A 的面積成正比。若要將流量叢Q1減至Q2時(shí)，如通過(guò)閥門(mén)調(diào)整，則將工作點(diǎn)由A 移到B時(shí)，同樣流速降低，但壓力也增大，因此軸功率降低程度不大；若采用變頻調(diào)速，則工作點(diǎn)由A 移動(dòng)到C，在滿(mǎn)足同樣流量Q2的情沉下，壓力也降低，軸功率大大降低。因此通過(guò)調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制是變頻器節(jié)能的底層邏輯。

1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

1）故障監(jiān)測(cè)與診斷預(yù)警。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)控、智能開(kāi)關(guān)故障監(jiān)控、無(wú)人值守監(jiān)控平臺(tái)報(bào)警等多平臺(tái)聯(lián)動(dòng)。具備故障報(bào)警及自動(dòng)切換功能，故障時(shí)能夠自動(dòng)地切換至備用電源和備用風(fēng)機(jī)，具備完整的故障保護(hù)功能。具備數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)測(cè)及故障報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控，系統(tǒng)故障在上述中心實(shí)時(shí)報(bào)警提示，為快速處理故障提供多方面保證，實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)安全運(yùn)行。系統(tǒng)具備歷史報(bào)警查詢(xún)功能：可對(duì)各子系統(tǒng)系統(tǒng)、報(bào)警類(lèi)別、報(bào)警等級(jí)、起始日期、結(jié)束日期、持續(xù)時(shí)間大于某個(gè)值來(lái)查詢(xún)。并可按各子系統(tǒng)、日期、級(jí)別來(lái)統(tǒng)計(jì)當(dāng)天的報(bào)警記錄。

2）地面監(jiān)控功能。與大屏顯示系統(tǒng)配合使用時(shí)，地面配置配置軟件可以完整顯示現(xiàn)場(chǎng)視頻和數(shù)據(jù)，以及每臺(tái)局部通風(fēng)機(jī)的狀態(tài)和其他參數(shù)，為統(tǒng)一調(diào)度和遠(yuǎn)程指揮提供決策依據(jù)。在上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面中，可以手動(dòng)給定風(fēng)機(jī)頻率、起停風(fēng)機(jī)、切換風(fēng)機(jī)等。配置6 個(gè)監(jiān)控功能模塊，實(shí)現(xiàn)視頻、工藝、可視化、應(yīng)急流程、巡檢數(shù)據(jù)、報(bào)警的集中管控。當(dāng)?shù)孛嬖O(shè)備發(fā)生故障如停電、斷網(wǎng)等時(shí),若對(duì)井下局部通風(fēng)機(jī)的無(wú)人值守系統(tǒng)不產(chǎn)生影響, 則由現(xiàn)場(chǎng)控制器完成緊急作業(yè)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)于電機(jī)的性能，溫升是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，不同耐熱等級(jí)的電機(jī)對(duì)溫升的要求有一定的差異。溫升與溫度呈正相關(guān)，雖然電機(jī)不同部位的溫度不盡相同，但其分布非常有規(guī)律。

繞組與電動(dòng)機(jī)鐵心之間的溫升是影響電動(dòng)機(jī)溫升的最主要原因。因?yàn)檫@些元件都是導(dǎo)熱介質(zhì)，它們的熱量在空氣中一般總是按照某種規(guī)則均勻分布在同一個(gè)曲線(xiàn)上，則最高溫升和平均溫升之間必然存在差異。因此，雖然可以應(yīng)用各部件的最高溫升來(lái)確定各部件的發(fā)熱極限，但在實(shí)際計(jì)算中，作為一個(gè)整體只能計(jì)算出發(fā)熱部件的平均溫升；而平均高溫上升和最高溫上升之間也有必然的規(guī)律關(guān)系, 所以也可以用于判斷發(fā)電機(jī)的發(fā)熱情況。局部通風(fēng)機(jī)為徑向散熱方式，風(fēng)流流過(guò)電機(jī)表面，經(jīng)過(guò)各個(gè)徑向通風(fēng)通道產(chǎn)生的熱空氣量幾乎一致, 繞組和鐵心都在電動(dòng)機(jī)中央附近達(dá)最高的工作溫度。熱部分通過(guò)鐵心和通風(fēng)通道散入空氣中, 而熱部分則沿著繞組走向二端,最后在繞組末端處散入空氣中，通過(guò)鐵芯和通風(fēng)通道,分散在空氣中。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)絕緣下降或鐵芯出現(xiàn)異常時(shí)，電機(jī)損耗增加，溫度上升，溫度出現(xiàn)異常，雖然電機(jī)可維持工作，但隨時(shí)都可能完全損壞。通過(guò)采樣電機(jī)的實(shí)時(shí)溫度，繪制溫度曲線(xiàn)，既可提前判斷電機(jī)狀況。

電機(jī)溫度采集框圖如圖5。在數(shù)據(jù)采集分站中，配置了溫度采集模塊，掃描周期小于1 s。PLC 通過(guò)modbus 通訊，每0.5 s 讀取1 次采集的電機(jī)溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)終端中保存，并實(shí)時(shí)繪制溫度曲線(xiàn)。當(dāng)溫升出現(xiàn)異常時(shí)，報(bào)警提醒。用戶(hù)可通過(guò)上位機(jī)終端查詢(xún)電機(jī)溫度歷史曲線(xiàn)，由此判斷分析設(shè)備問(wèn)題。

圖5 電機(jī)溫度采集框圖Fig.5 Block diagram of motor temperature acquisition

2.2 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制

在滿(mǎn)足降低瓦斯體積分?jǐn)?shù)、CO/CO2體積分?jǐn)?shù)、粉塵濃度和新風(fēng)供應(yīng)的前提下，盡量降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，既可以降低風(fēng)機(jī)噪音，改善工作環(huán)境，又可以節(jié)約大量的能源。

智能控制系統(tǒng)，通過(guò)采集瓦斯體積分?jǐn)?shù)、CO 體積分?jǐn)?shù)、CO2體積分?jǐn)?shù)和風(fēng)速，通過(guò)綜合計(jì)算，控制變頻器頻率，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的最優(yōu)控制。數(shù)據(jù)采集及控制框圖如圖6。

圖6 數(shù)據(jù)采集及控制框圖Fig.6 Data acquisition and control block diagram

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)王家?guī)X煤礦智能通風(fēng)建設(shè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)布局了掘進(jìn)工作面智能通風(fēng)管控系統(tǒng)，建設(shè)局部通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的人工測(cè)風(fēng)、調(diào)風(fēng)、控風(fēng)方式，形成了基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交匯，達(dá)到了煤礦通風(fēng)智能化的目標(biāo)。

自2021 年6 月王家?guī)X12307 掘進(jìn)工作面配備智能通風(fēng)管控系統(tǒng)至今，在智能通風(fēng)管控系統(tǒng)的調(diào)配下，12307 掘進(jìn)工作面的瓦斯體積分?jǐn)?shù)、一氧化碳體積分?jǐn)?shù)及粉塵濃度均未發(fā)生過(guò)超限情況，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全生產(chǎn)。